倉義東，茅 偉，衡 旭

（1.南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學研究院），江蘇 南京211106；2.新疆生產(chǎn)建設兵團第八師瑪納斯河肯斯瓦特建設管理局，新疆 石河子832000）

0 引言

經(jīng)過多年的不懈努力，我國各流域水電公司已先后建立了梯級集控中心自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)流域梯級水電資源的優(yōu)化控制管理，流域梯級電站監(jiān)控、水情水調、機組狀態(tài)監(jiān)測、繼電保護、電能量、大壩監(jiān)測等自動化系統(tǒng)獲得廣泛的應用，為流域各電站實現(xiàn)“無人值班（少人值守）”，提高流域梯級水電站的安全運行和自動化管理水平發(fā)揮了重要作用。

隨著智能化水電站的不斷建設，必然對智能化集控提出新的要求。然而在實際的集控建設過程中，受制于一些主客觀因素，系統(tǒng)架構過于復雜，導致故障頻發(fā)，大大降低了系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，增加了維護難度，長此以往，不利于整個集控中心的健康發(fā)展。

1 常規(guī)集控系統(tǒng)架構及一般優(yōu)化

在常規(guī)集控系統(tǒng)架構中，集控主機經(jīng)由核心交換機與前置通信機交換數(shù)據(jù)，前置通信機通過前置交換機、加密裝置、路由器、調度數(shù)據(jù)網(wǎng)、電站側路由器、加密裝置、前置交換機等與電站側前置通信機交換數(shù)據(jù)，電站前置通信機再經(jīng)由電站核心交換機、電站主機與電站終端控制系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，并經(jīng)由電站終端控制系統(tǒng)控制電站終端設備，從而實現(xiàn)集控的遠程監(jiān)視和控制。其典型系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 常規(guī)集控系統(tǒng)結構圖

從圖1中可以看出，在常規(guī)集控系統(tǒng)架構中，從集控主機到電站終端設備，所經(jīng)過的環(huán)節(jié)多達13個，為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，一般采用全冗余配置，從硬件設備到通信網(wǎng)絡等都采用完全獨立的2套硬件產(chǎn)品或系統(tǒng)。但是由于先天的系統(tǒng)結構復雜缺陷，導致系統(tǒng)穩(wěn)定性不高；且集控側多設備重復配置，因此，在實際的工程應用中，一般會對系統(tǒng)結構進行部分優(yōu)化，主要采用如下方法：

（1）簡化：將多套同類型設備簡化為一套，一方面節(jié)約投資，另一方面也便于維護。

（2）合并：將作用相同的設備合并為一臺設備，如將前置交換機與路由器合并，進一步減少系統(tǒng)環(huán)節(jié)，節(jié)約投資，同時便于維護。

（3）加強：對于集控與電站之間的薄弱環(huán)節(jié)進行重點強化，如集控到電站側通信網(wǎng)絡一般是最容易發(fā)生故障的地方，因此個別集控中心額外增加第3條衛(wèi)星網(wǎng)或其他通道。

優(yōu)化后的系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后常規(guī)集控系統(tǒng)結構圖

從圖2中可以看出，優(yōu)化后的集控系統(tǒng)架構，較之常規(guī)系統(tǒng)架構，一方面減少了相同類型設備，另一方面減少了不必要環(huán)節(jié)，同時對容易出問題的環(huán)節(jié)做專項加強，因此實用性較高，在目前的集控系統(tǒng)架構中成為主流。

但優(yōu)化后的集控系統(tǒng)架構仍然較為復雜，集控仍需要經(jīng)由多達11個硬件環(huán)節(jié)才能實現(xiàn)與電站終端設備的數(shù)據(jù)交換及控制，其中任何一個環(huán)節(jié)出問題，都會造成監(jiān)控功能的失敗，且集控運行仍然完全依賴于電站側的系統(tǒng)，一旦電站側系統(tǒng)異常，則整個系統(tǒng)功能全部異常，這一問題也成為了制約集控迅速發(fā)展的重要因素。

2 智能化水電站系統(tǒng)架構

智能化水電站是智能化電網(wǎng)建設的重要組成部分，智能化水電站的核心思想為共享、融合、共用，各系統(tǒng)在滿足電力系統(tǒng)二次安全防護要求的前提下，采用統(tǒng)一平臺實現(xiàn)對監(jiān)視、監(jiān)測、監(jiān)控等不同業(yè)務的統(tǒng)一管理，避免不同業(yè)務之間的條塊分割，實現(xiàn)不同業(yè)務的整體設計，達到資源有限整合、信息高度共享的目標，有效提高系統(tǒng)的運行效率。其主體設計理念見圖3。

圖3 智能化水電站系統(tǒng)設計理念

從圖3中可以看出，各系統(tǒng)上位機及現(xiàn)地終端設備運行在統(tǒng)一的現(xiàn)地總線上，從而實現(xiàn)資源的共享和利用。當然，智能化水電站仍需要遵循電力系統(tǒng)二次安防的要求，將各個系統(tǒng)按照規(guī)定進行分區(qū)，同一分區(qū)的多個系統(tǒng)之間網(wǎng)絡相互連通，不同分區(qū)的網(wǎng)絡之間通過防火墻、隔離裝置等進行隔離。對于水電站來說，不同系統(tǒng)一般分區(qū)如下：

安全I區(qū)：監(jiān)控、輔機、調速、勵磁、保護、五防、振擺、狀態(tài)監(jiān)測等。

安全II區(qū)：水情、保信、故障錄波、電能量等。

安全III區(qū)：大壩安全監(jiān)測、動力環(huán)境監(jiān)控、消防監(jiān)控、視頻監(jiān)控、WEB發(fā)布等系統(tǒng)。

安全IV區(qū)：生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

3 優(yōu)化的集控系統(tǒng)架構設計

優(yōu)化的集控系統(tǒng)架構，在繼承原有集控系統(tǒng)架構各種優(yōu)點的基礎上，設計符合智能化水電站系統(tǒng)架構要求的系統(tǒng)架構，最主要的特點表現(xiàn)為：集控系統(tǒng)與電站系統(tǒng)在網(wǎng)絡上連通，集控不再依賴于電站側上位機系統(tǒng)，而是與電站側上位機系統(tǒng)并列運行，主要結構見圖4。

圖4 優(yōu)化的集控系統(tǒng)結構圖

從圖4中可以看出，集控與電站側，除必要的加密裝置外，取消了全部的前置通信服務器、前置交換機、路由器等，并將相關功能整合到核心交換機中，從而將集控核心網(wǎng)與電站核心網(wǎng)直接連接，集控主機可以直接實現(xiàn)對電站終端設備的監(jiān)視和控制，從而大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

這種形式的集控系統(tǒng)架構，同樣適用于常規(guī)水電站運行模式。在這種模式下，集控或電站各個系統(tǒng)仍然獨立運行，多個系統(tǒng)共用一套網(wǎng)絡設備，從而既保證了各個系統(tǒng)的獨立性，又提高了網(wǎng)絡的共享性，為以后的智能化水電站改造奠定了基礎。

對于集控安全II區(qū)及安全III區(qū)系統(tǒng)，也采用相同的方式實現(xiàn)集控與電站直接連接，且在這種情況下，集控可以使用智能一體化管控平臺，將集控側多套系統(tǒng)整合成一個整體，從而真正實現(xiàn)智能化集控。

4 優(yōu)化的集控系統(tǒng)架構優(yōu)劣分析

4.1 優(yōu)勢

優(yōu)化的梯級集控系統(tǒng)架構大大縮減了集控到電站的物理環(huán)節(jié)，進一步提升了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和效率，節(jié)約投資，減小故障概率，降低維護難度，從而使得推廣變得更為易行。

優(yōu)化的集控系統(tǒng)架構將常規(guī)的串行模式改為并行模式，集控功能等同于電站上位機功能，且互為冗余，從而大大提升了集控運行的穩(wěn)定性。

優(yōu)化的梯級集控系統(tǒng)架構調度可以直接通過集控上位機直接實現(xiàn)集控多個電站的綜合監(jiān)控，從而為集控真正實現(xiàn)經(jīng)濟運行、充分發(fā)揮集控系統(tǒng)作用提供了技術基礎。

優(yōu)化的梯級集控系統(tǒng)既可以使用常規(guī)集控方式與電站通信機通信，又可以采用擴大廠站方式直接控制站端設備，因此具有極好的靈活性和兼容性。

優(yōu)化的梯級集控系統(tǒng)架構與電力系統(tǒng)二次安全防護要求相一致，因此適合于中國的國情，利于大面積推廣應用。

優(yōu)化的梯級集控系統(tǒng)架構由常規(guī)集控系統(tǒng)架構終極優(yōu)化而來，但主要只是連接方式和實現(xiàn)方式的不同，因此可以適用于所有常規(guī)集控中心的升級改造。

優(yōu)化的梯級集控系統(tǒng)架構既可以用于常規(guī)水電站，又可以用于智能化水電站，配合智能化管控平臺軟件，能進一步發(fā)揮集控的功效，因此必然成為未來集控中心建設的主流趨勢。

4.2 劣勢

優(yōu)化的集控系統(tǒng)架構，網(wǎng)絡是核心，因此必須加強對網(wǎng)絡的管理，要按照電力系統(tǒng)二次安防的要求進行隔離，同時還需要設置完備的保護機制，如MAC地址綁定、設置廣播流量限制、關閉多余網(wǎng)絡端口等，以確保網(wǎng)絡的可靠運行。

優(yōu)化的梯級集控系統(tǒng)架構對日常管理也提出了較高的要求，必須采取有效措施，確保核心骨干網(wǎng)的穩(wěn)定運行。對于非常重要的系統(tǒng)，可以設置單獨的核心交換機，避免核心網(wǎng)絡設備維護可能造成的其他系統(tǒng)運行異常。

5 結束語

優(yōu)化的集控系統(tǒng)架構作為對現(xiàn)有系統(tǒng)結構最大可能的優(yōu)化、簡化和創(chuàng)新，從而產(chǎn)生了量變引起質變的重大網(wǎng)絡結構變化，使之既能夠滿足電力系統(tǒng)二次安防，又能夠滿足智能化水電站及智能化集控建設的需要。從而可以極大的提升集控的運行效率及穩(wěn)定性，且不管是改造還是新建，成本投入較少，從而為集控的全面推廣創(chuàng)造了技術條件。當然，我們也發(fā)現(xiàn)部分產(chǎn)品和軟件還不能完全滿足智能化的要求，因此也希望通過集控建設對產(chǎn)品升級和技術進步起到一個積極的促進作用。